حل ضربة الغزل من الألياف البوليمرية نانو مركب لمعدات الحماية الشخصية
Summary
الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو وصف بروتوكول لإعداد حصائر الألياف البوليمرية مع مورفولوجيا متسقة عن طريق الغزل بالنفخ بالمحلول (SBS). نهدف إلى استخدام SBS لتطوير مركبات نانوية جديدة وقابلة للضبط ومرنة من الألياف البوليمرية لمختلف التطبيقات ، بما في ذلك المواد الواقية ، من خلال دمج الجسيمات النانوية في مصفوفة البوليمر والمطاط الصناعي.
Abstract
تتكون أنظمة الدروع الواقية خفيفة الوزن عادة من معامل عالي (>109 ميجا باسكال) وألياف بوليمرية عالية القوة مثبتة في مكانها بمادة راتنجية مرنة (مادة رابطة) لتشكيل صفائح غير منسوجة أحادية الاتجاه. بينما ركزت الجهود الكبيرة على تحسين الخواص الميكانيكية للألياف عالية القوة ، لم يتم القيام إلا بالقليل من العمل لتحسين خصائص مواد الرابطة. لتحسين أداء مواد رابطة البوليمر المرنة هذه ، تم استخدام عملية تصنيع جديدة وبسيطة نسبيا ، تعرف باسم غزل نفخ المحلول. هذه التقنية قادرة على إنتاج صفائح أو شبكات من الألياف بأقطار متوسطة تتراوح من المقياس النانوي إلى المقياس المجهري. لتحقيق ذلك ، تم تصميم وبناء جهاز غزل النفخ بالمحلول (SBS) في المختبر لتصنيع حصائر الألياف غير المنسوجة من محاليل المطاط الصناعي البوليمر.
في هذه الدراسة ، تم استخدام مادة رابطة شائعة الاستخدام ، وهي بوليمر مشترك من كتلة ستايرين – بوتادين – ستايرين مذاب في رباعي هيدروفيوران ، لإنتاج حصائر ألياف نانوية مركبة عن طريق إضافة جسيمات نانوية معدنية (NPs) ، مثل أكسيد الحديد NPs ، التي تم تغليفها بزيت السيليكون وبالتالي دمجها في الألياف التي تشكلت عبر عملية SBS. سيناقش البروتوكول الموصوف في هذا العمل تأثيرات المعلمات الحرجة المختلفة المشاركة في عملية SBS ، بما في ذلك الكتلة المولية للبوليمر ، واختيار المذيب المناسب ديناميكيا حراريا ، وتركيز البوليمر في المحلول ، وضغط الغاز الناقل لمساعدة الآخرين في إجراء تجارب مماثلة ، بالإضافة إلى توفير إرشادات لتحسين تكوين الإعداد التجريبي. تم فحص السلامة الهيكلية والتشكل لحصائر الألياف غير المنسوجة الناتجة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية الأولية عبر التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS). الهدف من هذه الدراسة هو تقييم تأثيرات المعلمات التجريبية المختلفة واختيارات المواد لتحسين بنية ومورفولوجيا حصائر الألياف SBS.
Introduction
يتم حاليا إنشاء العديد من أنظمة الدروع الواقية خفيفة الوزن والباليستية باستخدام ألياف بوليمرية عالية المعامل وعالية القوة ، مثل ألياف البولي إيثيلين أو الأراميدات الموجهة وذات الكتلة المولية العالية للغاية ، والتي توفر مقاومة باليستية رائعة 1,2. تستخدم هذه الألياف مع مادة راتنجية مرنة (مادة رابطة) يمكنها اختراق مستوى الفتيل وتأمين الألياف في تكوين 0 درجة / 90 درجة لتشكيل صفائح أحادية الاتجاه غير منسوجة. يجب ألا تتجاوز النسبة المئوية لراتنج المطاط الصناعي البوليمر (الموثق) 13٪ من الوزن الإجمالي للصفائح أحادية الاتجاه للحفاظ على السلامة الهيكلية والخصائص المضادة للباليستية للهيكل الرقائقي 3,4. يعد الموثق مكونا مهما جدا للدرع لأنه يحافظ على الألياف عالية القوة موجهة بشكل صحيح ومعبأة بإحكام داخل كل طبقة صفح3. تحتوي مواد المطاط الصناعي التي يشيع استخدامها كمواد رابطة في تطبيقات الدروع الواقية للبدن على معامل شد منخفض جدا (على سبيل المثال ، ~ 17.2 ميجا باسكال عند ~ 23 درجة مئوية) ، ودرجة حرارة تزجج منخفضة (يفضل أن تكون أقل من -50 درجة مئوية) ، واستطالة عالية جدا عند الكسر (تصل إلى 300٪) ويجب أن تظهر خصائص لاصقة ممتازة5.
لتحسين أداء هذه اللدائن البوليمرية ، تم إجراء SBS لإنشاء مواد مطاطية ليفية يمكن استخدامها كمواد رابطة في تطبيقات الدروع الواقية للبدن. SBS هي تقنية جديدة نسبيا ومتعددة الاستخدامات تسمح باستخدام أنظمة بوليمر / مذيب مختلفة وإنشاء منتجات نهائية مختلفة6،7،8،9،10،11،12،13. تتضمن هذه العملية البسيطة الترسيب السريع (10 أضعاف معدل الغزل الكهربائي) للألياف المطابقة على كل من الركائز المستوية وغير المستوية لتصنيع صفائح أو شبكات من الألياف التي تشمل مقاييس الطول النانوية والصغرى14،15،16،17،18. مواد SBS لها العديد من التطبيقات في المنتجات الطبية ، وفلاتر الهواء ، ومعدات الحماية ، وأجهزة الاستشعار ، والإلكترونيات البصرية ، والمحفزات14،19،20. يمكن أن يؤدي تطوير ألياف ذات قطر صغير إلى زيادة مساحة السطح إلى نسبة الحجم بشكل كبير ، وهو أمر مهم جدا للعديد من التطبيقات ، خاصة في مجال معدات الحماية الشخصية. يعتمد قطر ومورفولوجيا الألياف الناتجة عن SBS على الكتلة المولية للبوليمر ، وتركيز البوليمر في المحلول ، ولزوجة المحلول ، ومعدل تدفق محلول البوليمر ، وضغط الغاز ، ومسافة العمل ، وقطر فوهة الرش14،15،17.
من الخصائص المهمة لجهاز SBS فوهة الرش التي تتكون من فوهة خارجية داخلية ومتحدة المركز. يتم ضخ البوليمر المذاب في مذيب متطاير عبر الفوهة الداخلية بينما يتدفق الغاز المضغوط عبر الفوهة الخارجية. يؤدي الغاز عالي السرعة الخارج من الفوهة الخارجية إلى قص محلول البوليمر المتدفق عبر الفوهة الداخلية. هذا يجبر المحلول على تكوين شكل مخروطي عند الخروج من فوهة الرش. عندما يتم التغلب على التوتر السطحي عند طرف المخروط ، يتم إخراج تيار دقيق من محلول البوليمر ، ويتبخر المذيب بسرعة مما يتسبب في اندماج خيوط البوليمر وترسبها كألياف بوليمر. يعتمد تكوين بنية ليفية ، حيث يتبخر المذيب ، بشدة على الكتلة المولية للبوليمر وتركيز المحلول. تتشكل الألياف عن طريق تشابك السلسلة ، عندما تبدأ سلاسل البوليمر في المحلول في التداخل بتركيز يعرف باسم تركيز التداخل الحرج (c *). لذلك ، من الضروري العمل مع محاليل البوليمر فوق c * لنظام البوليمر / المذيب المحدد. أيضا ، هناك استراتيجية سهلة لتحقيق ذلك وهي اختيار البوليمرات ذات الكتلة المولية العالية نسبيا. زادت البوليمرات ذات الكتلة المولية الأعلى من أوقات استرخاء البوليمر ، والتي ترتبط ارتباطا مباشرا بزيادة تكوين الهياكل الليفية ، كما هو موضح في الأدبيات21. نظرا لأن العديد من المعلمات المستخدمة في SBS مرتبطة ارتباطا وثيقا ، فإن الهدف من هذا العمل هو توفير إرشادات لتطوير مركبات نانوية من الألياف البوليمرية قابلة للضبط ومرنة لاستخدامها كبدائل لمواد الموثق النموذجية الموجودة في تطبيقات الدروع الواقية للبدن من خلال دمج الجسيمات النانوية في مصفوفة البوليمر والمطاط الصناعي الليفية.
Protocol
Representative Results
Discussion
توفر الطريقة الموضحة هنا بروتوكولا لإنتاج حصائر الألياف النانوية المصنوعة من المطاط الصناعي البوليمر عبر تقنية جديدة نسبيا تعرف باسم غزل النفخ بالمحلول. تسمح هذه التقنية بتصنيع الألياف في المقياس النانوي ولها العديد من المزايا مقارنة بالتقنيات الأخرى الراسخة ، مثل عملية الغزل الكهربائ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن ينوهوا السيد دوايت د. باري لمساهماته الهامة في تصنيع جهاز الغزل بالنفخ بالمحلول. يود Zois Tsinas و Ran Tao الاعتراف بالتمويل من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا بموجب الجوائز # 70NANB20H007 و # 70NANB15H112 ، على التوالي.
Materials
| 45 MM Toolmaker Vise | Tormach Inc. | 32547 | To secure substrate onto the collector |
| ARES-G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| Branson Ultrasonics M Series – Ultrasonic Cleaning Bath | Fisher Scientific | 15-336-100 | To disperse nanoparticles |
| Cadence Science Micro-Mate Interchangeable Syringe | Fisher Scientific | 14-825-2A | Glass Syringe 5mL in 1/5mL, Luer Lock Tip |
| Chemical hood | Any company | ||
| Corning – Disposable Pasteur Glass Pipette | Sigma Aldrich | CLS7095D5X-200EA | Non-Sterile |
| DWK Life Sciences Wheaton – Glass Scintillation Vial | Fisher Scientific | 03-341-25G | 20 mL with cap |
| FEI Quanta 200 Scanning Electron Microscope (SEM) | FEI | For imaging samples | |
| Iron Oxide Nanopowder/Nanoparticles | US Research Nanomaterials, inc. | US3320 | Fe3O4, 98%, 20-3- nm, Silicon oil Coated |
| KD Scientific Legato 100 Single-Syringe Pump | Sigma Aldrich | Z401358-1EA | Single syringe infusion pump |
| Master Airbrush – Model S68 | TCP Global | MAS S68 | Nozzle/needle diameter: 0.35 mm |
| Mettler Toledo AB265-S/FACT Scale | Cole-Parmer Scientific | EW-11333-14 | For weighing polymer and Nanoparticles |
| N2 Gas Regulator | Any company | ||
| Nanoenclosure | Any company | ||
| Optical Microscopy Glass Slides | Fisher Scientific | 12-550-A3 | Used as a substrate for fiber mat deposition |
| OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, upper geometry |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instruments | 402782.901 | Double wall cup, lower geometry |
| Oxford BenchMate Digital Vortex Mixer | Pipette | VM-D | Rated up to 4,200 rpm, for mixing solutions |
| Oxford Benchmate Tube Roller | Pipette | OTR-24DR | Sample mixer/rotator |
| Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene | Sigma Aldrich | 432490-1KG | styrene 30 wt. %, Mw ~ 185,000 g/mol |
| SEM Pin Stub Specimen Mount | Ted Pella Inc. | 16119 | 18 mm diameter x 8 mm height |
| Spatula | VWR | 82027-532 | To load test materials |
| Tetrahydrofuran (THF) | Fisher Scientific | T425-1 | solvent, HPLC grade |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Rheometer software |
References
- Lee, B. L., et al. Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).
- Prevorsek, D. C., Kwon, Y. D., Chin, H. B. Analysis of the temperature rise in the projectile and extended chain polyethylene fiber composite armor during ballistic impact and penetration. Polymer Engineering and Science. 34 (2), 141-152 (1994).
- Park, A. D., Park, D., No Park, A. J. . U.S. Patent. , (2006).
- No Park, A. D. . U.S. Patent. , (1995).
- Harpell, G. A., Prevorsek, D. C., Li, H. L. Flexible multi-layered armor. Patent No. WO/1989. , (1989).
- Cena, C., et al. BSCCO superconductor micro/nanofibers produced by solution blow-spinning technique. Ceramics International. 43 (10), 7663-7667 (2017).
- Miller, C. L., Stafford, G., Sigmon, N., Gilmore, J. A. Conductive nonwoven carbon nanotube-PLA composite nanofibers towards wound sensors via solution blow spinning. IEEE Transactions on Nanobioscience. 18 (2), 244-247 (2019).
- Iorio, M., et al. Conformational changes on PMMA induced by the presence of TiO 2 nanoparticles and the processing by Solution Blow Spinning. Colloid and Polymer Science. 296 (3), 461-469 (2018).
- Martínez-Sanz, M., et al. Antimicrobial poly (lactic acid)-based nanofibres developed by solution blow spinning. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 15 (1), 616-627 (2015).
- Wang, H., et al. Highly flexible indium tin oxide nanofiber transparent electrodes by blow spinning. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (48), 32661-32666 (2016).
- Greenhalgh, R. D., et al. Hybrid sol-gel inorganic/gelatin porous fibres via solution blow spinning. Journal of Materials Science. 52 (15), 9066-9081 (2017).
- Gonzalez-Abrego, M., et al. Mesoporous titania nanofibers by solution blow spinning. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 81 (2), 468-474 (2017).
- Oliveira, J. E., Zucolotto, V., Mattoso, L. H., Medeiros, E. S. Multi-walled carbon nanotubes and poly (lactic acid) nanocomposite fibrous membranes prepared by solution blow spinning. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 12 (3), 2733-2741 (2012).
- Medeiros, E. S., Glenn, G. M., Klamczynski, A. P., Orts, W. J., Mattoso, L. H. Solution blow spinning: A new method to produce micro-and nanofibers from polymer solutions. Journal of Applied Polymer Science. 113 (4), 2322-2330 (2009).
- Vasireddi, R., et al. Solution blow spinning of polymer/nanocomposite micro-/nanofibers with tunable diameters and morphologies using a gas dynamic virtual nozzle. Scientific Reports. 9 (1), 1-10 (2019).
- Tutak, W., et al. The support of bone marrow stromal cell differentiation by airbrushed nanofiber scaffolds. Biomaterials. 34 (10), 2389-2398 (2013).
- Daristotle, J. L., Behrens, A. M., Sandler, A. D., Kofinas, P. A review of the fundamental principles and applications of solution blow spinning. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (51), 34951-34963 (2016).
- Hofmann, E., et al. Microfluidic nozzle device for ultrafine fiber solution blow spinning with precise diameter control. Lab on a Chip. 18 (15), 2225-2234 (2018).
- Behrens, A. M., et al. In situ deposition of PLGA nanofibers via solution blow spinning. ACS Macro Letters. 3 (3), 249-254 (2014).
- Vural, M., Behrens, A. M., Ayyub, O. B., Ayoub, J. J., Kofinas, P. Sprayable elastic conductors based on block copolymer silver nanoparticle composites. ACS Nano. 9 (1), 336-344 (2015).
- Srinivasan, S., Chhatre, S. S., Mabry, J. M., Cohen, R. E., McKinley, G. H. Solution spraying of poly (methyl methacrylate) blends to fabricate microtextured, superoleophobic surfaces. Polymer. 52 (14), 3209-3218 (2011).
- Flory, P. J. . Principles of polymer chemistry. , (1953).
- Palangetic, L., et al. Dispersity and spinnability: Why highly polydisperse polymer solutions are desirable for electrospinning. Polymer. 55 (19), 4920-4931 (2014).
- Ying, Q., Chu, B. Overlap concentration of macromolecules in solution. Macromolecules. 20 (2), 362-366 (1987).
- Haro-Pérez, C., Andablo-Reyes, E., Díaz-Leyva, P., Arauz-Lara, J. L. Microrheology of viscoelastic fluids containing light-scattering inclusions. Physical Review E. 75 (4), 041505 (2007).
- Thiele, J., et al. Early development drug formulation on a chip: Fabrication of nanoparticles using a microfluidic spray dryer. Lab on a Chip. 11 (14), 2362-2368 (2011).
- Zhao, J., Xiong, W., Yu, N., Yang, X. Continuous jetting of alginate microfiber in atmosphere based on a microfluidic chip. Micromachines. 8 (1), 8 (2017).
- Jun, Y., Kang, E., Chae, S., Lee, S. H. Microfluidic spinning of micro-and nano-scale fibers for tissue engineering. Lab on a Chip. 14 (13), 2145-2160 (2014).
- Weng, B., Xu, F., Salinas, A., Lozano, K. Mass production of carbon nanotube reinforced poly (methyl methacrylate) nonwoven nanofiber mats. Carbon. 75, 217-226 (2014).
- Barton, A. F. Solubility parameters. Chemical Reviews. 75 (6), 731-753 (1975).
